Soutenance de thèse de GANG WANG

L'émulsification microfluidique est devenue une méthode populaire pour générer des gouttelettes de tailles et de distributions contrôlées. Cependant, en raison des limitations expérimentales, des outils numériques sont généralement utilisés pour fournir une compréhension approfondie des mécanismes sous-jacents et des effets complexes des écoulements microfluidiques. Cette thèse se concentre sur trois problématiques majeures qui émergent dans la simulation des émulsions microfluidiques en utilisant le modèle multicomposant pseudopotentiel de Boltzmann sur réseau, et sur l'application de méthodes améliorées pour réaliser des simulations microfluidiques. Ces trois problématiques sont la condition de mouillage des parois courbes (puisque de nombreux dispositifs microfluidiques ont des géométries de canaux complexes), la coalescence des gouttelettes dans les émulsions très concentrées, et la condition de sortie permettant aux gouttelettes de quitter le domaine de calcul en douceur. Actuellement, dans la plupart des travaux précédents, la méthode simple de rebond (bounce-back, BB), associée à une interaction d'adhésion fluide-solide, est utilisée pour simuler les angles de contact. Cette méthode est précise pour une paroi droite. Cependant, lorsqu'il s'agit de parois courbes ou complexes, elle n'est pas assez précise car la paroi BB est seulement une approximation en escalier. Nous proposons donc d'étendre la méthode partiellement saturée (partially saturated method, PSM), une méthode précise du second ordre pour les conditions de paroi courbe conçue pour les écoulements monophasiques, aux écoulements multicomposants. La méthode proposée conserve exactement la masse et surpasse la méthode BB en termes de modélisation de l'angle de contact statique et de la fluidité du mouvement d'une gouttelette mouillant des parois courbes. L'objectif principal de l'émulsion microfluidique est de produire rapidement des micro-gouttelettes de la taille souhaitée, ce qui conduit à des cristaux fluides mous, où les gouttelettes sont fortement concentrées et en contact étroit les unes avec les autres. Expérimentalement, l'ajout d'un agent tensioactif est nécessaire pour éviter que ces gouttelettes très serrées ne fusionnent. Numériquement, les gouttelettes en contact coalescent naturellement lorsque le modèle de pseudopotentiel original est appliqué en raison de l'absence de force répulsive aux interfaces de gouttelette en contact. Nous proposons une méthode simple pour introduire une répulsion aux interface de contact, le but étant d'imiter l'effet des agents tensionactifs. Nous constatons que cette méthode proposée est capable de modéliser des suspensions stables et fluides hautement concentrées, et de reproduire les cristaux fluides mous obtenus dans les expériences. Dans les simulations microfluidiques, les microcanaux sont généralement tronqués pour des longueurs réduites, ce qui pose un problème aux sorties car les gouttelettes et les phases continues sortent simultanement. Pour permettre aux gouttelettes de quitter le domaine de simulation en douceur, nous appliquons une condition de limite de vitesse améliorée (velocity boundary condition, VBC), basée sur la méthode BB pour une paroi mobile, à la sortie. De plus, deux couches de nœuds fantômes sont mises à jour pour calculer les interactions de pseudopotentiel à la sortie. Avec cette méthode, les gouttelettes peuvent quitter les microcanaux en douceur sans distorsions significatives. À l'aide de ces méthodes améliorées, des simulations d'émulsions microfluidiques dans des canaux de focalisation de flux ont été réalisées, fournissant des aperçus précieux du comportement des gouttelettes dans de tels systèmes. Mots-clés : Émulsification microfluidique, méthode de Boltzmann sur réseau, méthode des pseudopotentiels, condition de paroi courbe, non-coalescence des gouttelettes, condition de sortie.

Microfluidic emulsification has become a popular method to generate droplets with controllable sizes and distributions. However, due to the limitations of experiments, numerical tools are usually used to provide a comprehensive understanding of underlying mechanisms and complex effects of microfluidic flows. This thesis focuses on addressing three major issues that emerge in the simulation of microfluidic emulsions using the lattice Boltzmann pseudopotential multicomponent model and applying the improved methods to perform simulations of microfluidic emulsions. These three issues are the wetting curved wall boundary condition (since many microfluidic devices have complex channel geometries), the droplet coalescence in dense emulsions, and the outlet boundary condition to allow droplets to leave the computational domain smoothly. Currently, in most previous works, the simple bounce-back (BB) method, together with the virtual fluid-solid interaction, is used to simulate contact angles. This method is accurate for a flat wall. But when it comes to curved or complex walls, it is not accurate enough since the wall is only a staircase approximation. Thus, we propose to extend the partially saturated method (PSM), which is a second-order accurate curved wall boundary condition method designed for single-phase flows, to pseudopotential flows. The proposed method is exactly mass conservative and it outperforms the BB method in terms of modeling static contact angles and the movement smoothness of the wetting droplet on the curved walls. The main objective of the microfluidic emulsion is to produce the micro-droplets at the desired size as rapidly as possible, which leads to soft flowing crystals, where droplets are in high concentration and in close contact with each other. Experimentally, the addition of a surfactant is necessary to prevent these closely packed droplets from merging. Numerically, the droplets in contact naturally coalesce when the original pseudopotential model is applied due to the absence of the repulsive force at the contacting droplet interfaces. Thus, we propose a simple method to introduce the contacting interface repulsion which can mimic the effect of the surfactant. We find this proposed method is capable of modeling stable and flowing highly concentrated suspensions and reproducing soft flowing crystals obtained in the experiments. In microfluidic simulations, microchannels are usually truncated to short lengths, which poses a problem at outlets since both droplet phase and continuous phase exit simultaneously. To allow droplets to leave the outlet layer smoothly, we apply a velocity boundary condition (VBC), based on the BB method for a moving wall, at outlets. Additionally, two layers of ghost nodes are updated to compute the pseudopotential interactions at outlets. With this proposed method, droplets can leave microchannels smoothly without significant distortions. Using these improved methods, simulations of microfluidic emulsions within flow focusing channels were performed, providing valuable insights into the behavior of droplets in such systems. Keywords: microfluidic emulsification, lattice Boltzmann method, pseudopotential method, curved boundary condition, droplet non-coalescence, outlet boundary condition